Особенности ведения горных работ в районе тектонических нарушений

Опыт разработки Кизеловского и Кузнецкого бассейнов, Шурабского и Сучанского месторождений показывает, что в районах крупных дизъюнктивных нарушений имеется зона ослабленных по механическим свойствам пород и угля, ширина которой колеблется в больших пределах, достигая часто 15—20 м.

П.В. Егоров на шахте Коксовая-2 в Кузбассе инструментально установил, что относительные характеристики прочности песчаника, сланца и угля в зоне влияния тектонического нарушения снизились более чем вдвое.

Считается, далее, что в угольном пласте, не тронутом горными разработками, за зоной ослабленных пород имеется концентрация напряжений, вызванная влиянием нарушения. По нашему мнению, говорить о практически заметной концентрации напряжений в районе нарушения не представляется возможным в силу ряда обстоятельств. Во-первых, тектоническое нарушение приводит к разрядке напряжений. Во-вторых, если даже и остаются некоторые области с неодинаковой концентрацией напряжений, то при наличии угольного пласта, сланцев и других пород, способных к пластическим деформациям, особенно в условиях длительного воздействия трехосного неравномерного сжатия, произойдет выравнивание напряжений.

Таким образом, если даже и есть какие-то остаточные напряжения в районе влияния тектонического нарушения, то величина их не может быть большой, поэтому этот фактор не следует принимать в расчет при решении практических вопросов борьбы с горными ударами.

Основное влияние дизъюнктивного тектонического нарушения на распределение напряжений в угольном пласте возникает в период проведения горных выработок вблизи него и особенно при подходе к нарушению очистными работами. При этом характер влияния нарушения определяется величиной зоны ослабленных пород и угля и расположением плоскости сместителя по отношению к разрабатываемому пласту (рис. 137).

По мере подхода к дизъюнктивному нарушению впереди очистного забоя возникает зона повышенных напряжений за счет опирания пород на все сокращающийся участок пласта между забоем и нарушением.

Наибольшее влияние нарушения проявляется при углах падения сместителя у, равных или меньших 90° (рис. 137, в, г).

Известен ряд случаев разрушительных горных ударов при подходе к нормально секущему пласт тектоническому нарушению на шахтах Кизеловского бассейна. Такой случай, например, произошел 24 августа 1962 года на пласте № 11 шахты им. Урицкого, когда был разрушен целик угля шириной около 20 м.

Осложняющим обстоятельством в данном случае было еще и то, что вдоль нарушения, проходящего по линии падения пласта, со стороны очистного забоя был пройден скат. Два случая разрушительных горных ударов произошло на пласте № 11 шахты им. Калинина при подходе лавы № 527с на 10—20 м к геологическому нарушению.

Чем под более тупым углом у пересекает плоскость сместителя угольный пласт, тем меньше сказывается его влияние на распределение напряжений впереди очистного забоя (рис. 137,б).

Несколько другое положение, по-видимому, возникает на момент начала очистных работ за плоскостью сместителя. Наиболее благоприятные условия при этом могут сказаться при расположении плоскости сместителя под углом у, равным или несколько меньшим 90°.

В этом случае зависания горных пород не наступит и, следовательно, зона опорного давления за сместителсм будет иметь меньшую ширину и меньшие нагрузки. По мере уменьшения угла у нагрузки в зоне опорного давления будут возрастать, по-крайней мере, до у = 60°, т. е. до того момента, когда плоскость сместителя совпадет с границей зоны полных сдвижений. С дальнейшим уменьшением угла у роста нагрузки в опорной зоне не будет. При возрастании угла у в диапазоне от 90° до 180° сумма нагрузок в опорной зоне станет почти неизменной и равной сумме нагрузок в случае отсутствия тектонического нарушения. Разница здесь, по-видимому, лишь в наличии большей концентрации напряжений вблизи нарушения.

Необходимо далее отметить, что мы рассмотрели лишь самый простой случай, когда линия очистного забоя лавы близка к линии пересечения сместителя с угольным пластом. С возрастанием угла между названными линиями степень влияния тектонического нарушения на распределение напряжений в зоне опорного давления будет в общем снижаться, достигнув минимума при угле 90°.

Остановимся на некоторых аспектах безопасного ведения торных работ в районах влияния крупных тектонических нарушений, вытекающих из изложенных выше представлений.

При подходе к зоне ослабленного угля возникает опасность проявления горного удара в результате хрупкого разрушения все уменьшающейся части крепкого угля с последующим выбросом его из высоконапряженной зоны, располагающейся вблизи нарушения. Этому в значительной степени способствует мгновенное упругое сближение пород за счет их разгрузки, сопровождающееся колебанием. Величины сближения пород в момент горного удара и характер их распределения по ширине очага удара зависят от угла пересечения нарушением угольного пласта: в одном случае породы кровли и почвы имеют одинаковые возможности расшириться (рис. 137, в); в другом случае большее расширение, особенно в глубине очага разрушения, получат породы почвы (рис. 137, б); в третьем случае, наоборот, больше расширятся породы кровли (рис. 137, г). На сильно тазовом пласте горный удар может перерасти во внезапный выброс угля и газа.

Таким образом, механизм проявления горного удара при подходе к крупным тектоническим нарушениям не отличается, посуществу, от описанного ранее. Однако при прочих равных условиях горный удар проявится с большей силой и вызовет большие разрушения из-за того, что, во-первых, имеется наличие ослабленного угля вблизи нарушения, что приведет к образованию впереди забоя более широкой зоны пластического или псевдопластического состояния пласта и, во-вторых, вследствие того, что значительно усилится участие боковых пород в проявлении горного удара.

При подходе к тектоническому нарушению в целях борьбы с горными ударами необходимо производить рыхление краевой части пласта впереди очистного забоя на ширине не менее чем



где m — мощность отрабатываемого пласта (слоя);

b — подвигание забоя за цикл или за несколько циклов, если приведение в неудароопасное состояние ведется через несколько циклов.

Применение указанной меры следует производить с расстояния 0,4l до подхода к зоне ослабленного угля, или, если граница зоны ослабленного угля не установлена, с расстояния 0,7l до тектонического нарушения.

Для снижения вредного воздействия тектонического нарушения при переходе через него следует стремиться к увеличению угла, который составляет очистной забой с линией пересечения плоскости сместителя с пластом. Это полезно как с точки зрения борьбы с горными ударами, так и решения вопросов управления кровлей.

Отход от крупного тектонического нарушения в большинстве случаев не сопряжен с особыми трудностями. Поэтому, когда это возможно, следует начинать работы от нарушения.

Проходка горных выработок вдоль тектонического нарушения разрешается. При этом, если ширина зоны сильнонарушенного угля больше, чем С + 3m, где С — ширина выработки, то выработка может проходиться без приведения пласта угля в нtудароопасное состояние. При меньшей ширине зоны нарушенного угля, начиная с определенной для данного месторождения глубины, выработка должна проходиться с рыхлением пласта угля камуфлетными взрывами или нагнетением воды в пласт. Проходка наклонных выработок в направлении сверху вниз во всех случаях является наиболее целесообразной, а на мощных крутых угольных пластах типа Кузнецкого бассейна — обязательной.

При разработке свиты пластов в районе влияния крупных тектонических нарушений следует максимально использовать защитные свойства пластов угля.

На рис. 138 приводится одна из возможных схем отработки пластов с использованием защитного действия верхнего пласта. При этом имеется в виду, что более благоприятные условия для проявления защитного действия верхнего пласта будут в блоках 1 и 3. Последовательность отработки нижнего пласта в блоке 2 и верхнего пласта в блоке 3 должна быть такой, чтобы к моменту подхода очистных забоев нижнего пласта к сместителю M'N' отработка верхнего пласта в блоке 3 была уже произведена на участке аб (рис. 138). Следует иметь в виду, что, хотя подход к нарушению более сложен, чем отход от него, в большинстве случаев, в целях исключения встречных и догоняющих забоев, приходится идти на это. Независимая отработка блоков может предусматриваться лишь в отдельных случаях.

При ведении горных работ в районе мелких тектонических нарушений следует также иметь в виду, что концентрации напряжений впереди очистного забоя могут быть крайне неравномерными.

При уменьшении мощности отрабатываемого пласта, даже в, случае отсутствия разрыва пород, могут создаться высокие местные напряжения. Объясняется это тем, что региональному сближению горных пород на уровне очистного забоя участки пласта с меньшей мощностью оказывают большее сопротивление и, вследствие этого, скорее могут перейти в предельное состояние.

Ведение очистных работ в местах проявления мелких тектонических нарушений, как дизъюнктивного, так и пликативного типа, должно, как правило, сопровождаться приведением краевой части, пласта угля в неудароопасное состояние.

Учитывая особую сложность рассматриваемого вопроса, следует указать, что описанные выше представления являются лишь, первым приближением к объяснению явлений в зонах влияния тектонических нарушений и обоснованию мер безопасного ведения горных работ в этих сложных условиях.